用于水循环和海水淡化的新型仿生膜

在自然界中,液体在皮肤和器官上的流动主要遵循“正向渗透”原则,并表现出高流动性和高选择性。如果人造“正向渗透”膜可有效提升水的渗透能力和盐的阻挡能力,那么水资源的循环利用以及海水的淡化将触手可及。

既然膜上的渗透梯度是“正向渗透”的主要动力,因此超薄的“正向渗透”膜需要具备半透性以及快速的透水能力。然而采用高分子膜依旧存在诸多挑战,诸如如何在分子层面上设计出具有最少缺陷的半透膜,并同时减少亚层的阻碍及其影响。

通过在超薄的磷脂双层上嵌入高选择性水通道,即水通道蛋白(Aqps),生物膜能够克服以上的弊端。在水通道蛋白家族中,AqpZ最适用于“正向渗透”应用,这不仅是因为AqpZ是其中最小且最简易的组元,而且可以在大肠杆菌中表达蛋白质并能够得到较高浓度的纯化蛋白质。因此仿生膜中AqpZ和ABA嵌段共聚物在恰当的摩尔比下 ,其透水能力远好于“正向渗透”高分子膜。

近期,国立新加坡大学钟台生教授的研究团队在分子层上设计了一种全新的二维孔隙跨越的仿生膜。如图中所示,AqpZ首先被结合入ABA嵌段共聚物之中,其次对聚碳酸酯履带式蚀刻(PCTE)膜支撑进行表面改性,随后借助压力将微囊球吸入到PCTE支撑膜上,最后共价共轭驱动的微囊球破裂,并最终形成孔隙跨越的仿生膜。他们的研究表明:这种仿生膜通过“正向渗透”呈现出了较好的水净化能力。在下一代水循环和海水淡化用膜材料的设计中,Aqp必将起到重要作用。

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。